p (Phys.org) —Toda estrutura excelente, do Empire State Building à Ponte Golden Gate, depende de propriedades mecânicas específicas para permanecer forte e confiável. Rigidez - a rigidez de um material - é de particular importância para manter a funcionalidade robusta de tudo, desde edifícios colossais até as menores estruturas em nanoescala. Em nanoestruturas biológicas, como redes de DNA, tem sido difícil medir essa rigidez, que é essencial para suas propriedades e funções. Mas cientistas do Instituto de Tecnologia da Califórnia (Caltech) desenvolveram recentemente técnicas para visualizar o comportamento de nanoestruturas biológicas no espaço e no tempo, permitindo-lhes medir diretamente a rigidez e mapear sua variação em toda a rede. p O novo método é descrito na primeira edição de 4 de fevereiro do Proceedings of the National Academy of Sciences ( PNAS )

p "Este tipo de visualização está nos levando a domínios das ciências biológicas que não exploramos antes, "diz o Prêmio Nobel Ahmed Zewail, o professor de química Linus Pauling e professor de física na Caltech, que foi coautor do artigo com Ulrich Lorenz, um pós-doutorado no laboratório de Zewail. "Estamos fornecendo a metodologia para descobrir - diretamente - a rigidez de uma rede biológica que possui propriedades em nanoescala."

p Conhecer as propriedades mecânicas das estruturas do DNA é crucial para a construção de redes biológicas robustas, entre outras aplicações. De acordo com Zewail, este tipo de visualização da biomecânica no espaço e no tempo deve ser aplicável ao estudo de outros nanomateriais biológicos, incluindo os conjuntos de proteínas anormais que estão por trás de doenças como Alzheimer e Parkinson.

p Zewail e Lorenz foram capazes de ver, pela primeira vez, o movimento de nanoestruturas de DNA no espaço e no tempo usando o microscópio eletrônico de quatro dimensões (4D) desenvolvido no Centro de Biologia Física da Caltech para Ciência e Tecnologia Ultra-rápida. O centro é dirigido por Zewail, que o criou em 2005 para promover a compreensão da física fundamental do comportamento químico e biológico.

p "Na natureza, o comportamento da matéria é determinado por sua estrutura - os arranjos de seus átomos nas três dimensões do espaço - e por como a estrutura muda com o tempo, a quarta dimensão, "explica Zewail." Se você observar um cavalo galopando em câmera lenta, você pode acompanhar o tempo dos galopes, e você pode ver em detalhes o que, por exemplo, cada perna está fazendo com o tempo. Quando chegamos à escala nanométrica, essa é uma história diferente - precisamos melhorar a resolução espacial para um bilhão de vezes a do cavalo para visualizar o que está acontecendo. "

p Zewail recebeu o Prêmio Nobel de Química de 1999 por seu desenvolvimento da femtoquímica, que usa flashes de laser ultracurtos para observar reações químicas fundamentais que ocorrem na escala de tempo do femtossegundo (um milionésimo de bilionésimo de segundo). Embora a femtoquímica possa capturar átomos e moléculas em movimento, dando a dimensão do tempo, it cannot concurrently show the dimensions of space, and thus the structure of the material. This is because it utilizes laser light with wavelengths that far exceed the dimension of a nanostructure, making it impossible to resolve and image nanoscale details in tiny physical structures such as DNA .

p To overcome this major hurdle, the 4D electron microscope employs a stream of individual electrons that scatter off objects to produce an image. The electrons are accelerated to wavelengths of picometers, or trillionths of a meter, providing the capability for visualizing the structure in space with a resolution a thousand times higher than that of a nanostructure, and with a time resolution of femtoseconds or longer.

p The experiments reported in PNAS began with a structure created by stretching DNA over a hole embedded in a thin carbon film. Using the electrons in the microscope, several DNA filaments were cut away from the carbon film so that a three-dimensional, free-standing structure was achieved under the 4D microscope.

p Próximo, the scientists employed laser heat to excite oscillations in the DNA structure, which were imaged using the electron pulses as a function of time—the fourth dimension. By observing the frequency and amplitude of these oscillations, a direct measure of stiffness was made.

p "It was surprising that we could do this with a complex network, " says Zewail. "And yet by cutting and probing, we could go into a selective area of the network and find out about its behavior and properties."

p Using 4D electron microscopy, Zewail's group has begun to visualize protein assemblies called amyloids, which are believed to play a role in many neurodegenerative diseases, and they are continuing their investigation of the biomechanical properties of these networks. He says that this technique has the potential for broad applications not only to biological assemblies, but also in the materials science of nanostructures.